（模式识别与智能系统专业论文）基于小波分析的桥梁安全监测系统研究与开发.pdf

济南人学硕i ：学位论文 摘要 桥梁是交通枢纽中非常重要的组成部分，其安全性关系重大。桥梁本身又容易 受到大风、温度、湿度等自然环境和超载、破坏等人为因素的影响，而导致内部结构 发生变化，这种变化的累积容易对桥梁造成损伤。而近年来，由于这些损伤导致的桥 梁安全事故频繁发生，造成了大量的人员伤亡和巨大的财产损失。为避免这些灾难的 发生，通过一些有效方法实现对桥梁的在线安全监测很有必要。 本文首先阐述了桥梁健康监测的意义，介绍了国内外研究的现状，对桥梁监测 过程中的一些关键性问题作了探讨。在此基础上提出了一种对桥梁进行实时监控的可 行性方法。文中选用压电片p 5 1 作为传感器，布设在桥梁底部的相应位置，压电片 受到压力，能产生电荷，且产生电荷的大小与受到的压力大小保持对应关系，利用这 个原理能将桥梁的振动信号转化为电荷信号进行采集。将采集到的电荷信号进行滤 波、放大等前端处理后，经由p c l - 1 0 1 6 8 数据电缆传输至p c i - 1 7 1 1 数据采集卡，上 位机监测系统通过软件触发方式定时地对数据采集卡进行读取，获得数据，并以数值 和二维图像两种形式实时显示这些数据，从而能如实直观反映桥梁当前的受压情况。 软件同时能实时地对数据做相应处理，通过实时f f t 变换，能直观得到桥梁振动的 频率分布情况及其变化趋势。 小波分析是近十几年来发展起来的数学理论，小波分析能很好的分析出信号奇 异点的位置和奇异性的强弱。本文引入小波分析，对采集到的数据进行处理。文中对 小波去燥原理以及基于小波多尺度分析的信号奇异点检测原理作了深入探讨，并进行 了数据实验。经过分析对比，文中采用效果较好的d b 5 小波基，启发式阈值原则对采 集的信号进行去燥，能取得较好的去燥效果。通过对信号作多尺度分析，能准确检测 出信号奇异点的位置和强弱，从而能诊断出桥梁故障点的存在。 本文结合实验对监测系统做了测试，通过对模型桥梁的各种破坏来模拟实际桥 梁的受损情况，经采集系统对实验数据进行采集，上位机监测软件能实时地反映出桥 梁振动幅度和频率的变化情况。利用小波变换对数据作细致分析，能判断出故障点及 其强弱，这与实验时桥梁被破坏的时刻及强度相符合。从而反映出小波分析在信号处 理中的有效意义。软件同时可结合一段时间内的数据对桥梁状况作整体的评估。 关键词：桥梁监测，压电片，信号采集，f f t ，小波变换 济南人学硕i ：学位论义 a b s t r a c t b r i d g ei sav e r yi m p o r t a n tc o m p o n e n to ft r a f f i ch i n g e ，w h i c hp l a y sa ni m p o r t a n tp a r t i nt h es a f e t y b r i d g ei t s e l fi sn o to n l yv u l n e r a b l et on a t u r a le n v i r o n m e n ts u c ha sw i n d ， t e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t y , b u ta l s ot om a n m a d ef a c t o r ss u c ha so v e r l o a d i n g ，d e s t r u c t i o n a n ds oo n a l lo ft h o s ef a c t o r sr e s u l ti nt h ei n t e r n a lc h a n g e s ，a n dt h eb r i d g ei se a s i e rt ob e d e s t r o y e db yt h ec u m u l a t i v ec h a n g e s i nr e c e n ty e a r s ，b r i d g es a f e t yi n c i d e n t so f t e nt a k e p l a c ed u et ot h ed a m a g eo ft h eb r i d g e ，c a u s i n gal a r g en u m b e ro fc a s u a l t i e sa n dh u g e p r o p e r t yl o s s e s t oa v o i d t h eo c c u r r e n c eo fs u c hd i s a s t e r s ，s o m ee f f e c t i v em e t h o d sa b o u t b r i d g er e a l t i m es e c u r i t ym o n i t o r i n ga r en e c e s s a r y t h i sp a p e rp r e s e n t sam e t h o do nb r i d g er e a l t i m em o n i t o r i n g ，a n dm a d eas t u d y i n t h i sp a p e r , t h ea u t h o ra d o p t sp - 51a ss e n s o r s ，p l a c i n gt h e mi nt h ec o r r e s p o n d i n gp o s i t i o no f t h eb r i d g eb o t t o m o n c ep z ts u f f e r sf r o mp r e s s u r e ，i tc a np r o d u c ec h a r g e t h et h es i z eo f c h a r g eh a sa nc o r r e s p o n d i n gr e l a t i o n s h i pw i t ht h es i z eo fp r e s s u r e t h a tp r i n c i p l ec a nb e u s e dt oc o l l e c tt h es i g n a lo f b r i d g ev i b r a t i o nt h ec h a r g ew i l lb ec o l l e c t e dt om a i n t a i ns i g n a l s a m p l i n g ，f i l t e r i n g ，z o o mi n ，s u c ha sf r o n t e n dp r o c e s s i n g ，t h ed a t at r a n s m i s s i o nl i n e si n t h es u p r e m a c yo ft h ef r o n t e n dd a t aa c q u i s i t i o nc a r dw i r i n gb o a r da d a m 一3 9 6 8 ，a n dt h e n p c l - 1 0 1 6 8d a t at r a n s m i s s i o nc a b l e st ot h ep c i 一1 7 1 1 a f t e rt h ec o m p l e t i o no ff r o n t - e n d h a r d w a r ea c q u i s i t i o nc i r c u i t ，t h ea u t h o rd e v e l o p e dam o n i t o r i n gs y s t e mb a s e do nv c + + 6 0 t h es y s t e mr e g u l a r l yc o l l e c td a t af r o mp c i 一1 7 1 1t h r o u g ht h ew a yo fs o f t w a r et r i g g e r t h ed a t ac a nb er e p r e s e n t e db yn u m e r i c a la n d2 di m a g e t h e s et w of o r m so fr e a l - t i m e d i s p l a yo fd a t ac a na c c u r a t e l yr e f l e c tt h ec u r r e n tc o m p r e s s i o no ft h eb r i d g e ，a n dt h e nm a k e ar e a l t i m ep r o c e s s i n go ft h ed a t aa c c o r d i n g l y t h r o u g hf 兀t r a n s f o r m ，t h eb r i d g ev i b r a t i o n f r e q u e n c ya n d d i s t r i b u t i o nt r e n dc a nb eg e t i nt h i sp a p e r ，t h ea u t h o rm a d eaf u r t h e ra n a l y s i so nt h ep r i n c i p l eo ff i l mp i e z o e l e c t r i c s e n s o r ，a n de x c o g i t a t e ds o m ew a y so nh o wt od e p l o ys e n s o r so p t i m a l l y t oo b t a i ns i g n a l s a c c u r a t e l y , t h ea u t h o ra l s ol u c u b r a t e da n dp e r f o r m e dl o t so fe x p e r i m e n t so nt h e t h ec i r c u i t i nf r o n to fa c q u i s i t i o n ，a n du l t i m a t e l yd e b u g g e das e to fa p p l i c a b l ea c q u i s i t i o nc i r c u i t i n t h ep r o c e s so fd e v e l o p i n gs y s t e m ，t h ea u t h o rd i dal o to fw o r k t h es y s t e mh a da l r e a d y c o m p l e t e dt h ed e b u g g i n go ft h ed a t aa c q u i s i t i o nc a r dd r i v e r , t h ed i s p l a yo fd a t as t o r a g ea n d i i i 堆于小波分十斤的侨梁女令；瓶测糸统研z j 开发 d y n a m i ci m a g e ，t h et r a n s f o r m a t i o no fr e a l t i m et i m e f r e q u e n c yd a t a ，t h eo v e r a l le v a l u a t i o n o fb r i d g e s s a f e t y , a n ds oo n a tt h es a m et i m e ，t h ea u t h o ra l s oh a dag o o dc o m m a n do ft h e p r i n c i p l eo ff f ra l g o r i t h m ，a n dc o d e da1 0 2 4 一p o i n tf 丌p r o g r a mb a s e do n2i nv c + + 6 0 b e s i d e s ，t h ew a v e l e tt r a n s f o r mt h e o r ya n da p p l i c a t i o nw e r ea l s or e s e a r c h e db yt h ea u t h o r c a r e f u l l y , a n dm 删。a bw a su s e dt oh a n d l et h ec o r r e s p o n d i n gs i g n a l s d u r i n gt h et e s t t h e e n t i r es y s t e mc o u l dm a k eab a s i cr e a l - t i m em o n i t o r i n go nt h eb r i d g e h o w e v e r , d u et o c o n s t r a i n t s ，i ti sd i f f i c u l tt oc o m p l e t er e a lb r i d g em o n i t o r i n g i nt h i sp a p e r t h ea u t h o rh a d m a d eaf i r s ts t e po nr e a l - t i m em o n i t o r i n go fb r i d g es a f e t yb a s e do nm a n yt h e o r i e s ，a n dl a i d af o u n d a t i o nf o rt h ef o l l o w - u ps t u d ya n dp r a c t i c e k e y w o r d s ：b r i d g em o n i t o r ，p z t ，f f t ，s i g n a lc o l l e c t ，w a v e l e tt r a n s f o r m i v 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出 重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：边 日 期：翌望：签：f ? 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解济南大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被 查阅和借鉴；本人授权济南大学可以将学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和 汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：乏垫筮。 导师签名： 论文作者签名：型鱼虫一 导师签名： 济南人学硕十学位论义 1 1 引言 第一章绪论 桥梁自建成投入使用以后，会受到大风、温度、湿度等自然环境的影响，其内部 结构会发生变化。同时随着材料本身的逐渐老化，其承载力会逐渐下降。再加之人为 因素影响，如汽车超载、恶意破坏等。这些因素都会严重影响桥梁的使用寿命，对人 们的生命财产安全造成威胁。由于桥梁损伤导致突然倒塌而造成巨大损失的事例层出 不穷，这些发生事故的桥梁都没有做好必要的监测工作。如美国的塔科玛海峡大桥， 我国重庆市綦江县的彩虹桥，广东的九江大桥，台湾省连接高雄与屏东的重要通道上 的高屏大桥，都发生了突然断裂的事件，造成了巨大的经济损失和人员伤亡【。另外 还有自然灾害的损伤，如美国1 9 8 9 年的l o m a p r i e t a 地震中o a k l a n d 海湾大桥的倒塌 和在1 9 9 4 年的n o r g h r i d g e 地震中的洛杉矶地区的大量公路桥的损坏【2 1 。且不说建设 时的各种事项，如果在桥梁运营时期对其健康状况给予足够的重视，并对桥梁的一些 有关安全通行能力进行监测，针对发现的问题进行维修与加固，那么损失就会小得多 甚至可以避免。因此，对桥梁实时监测具有很大的现实意义。通过实时监测可以对桥 梁的健康状况进行评估，从而能对桥梁的维护加固作实践性的指导，避免严重后果的 发生。 桥梁检测是一个多学科综合的研究领域。其中包括对桥梁的分析、对传感器的分 析、对硬件电路的研究和对信号分析的研究。桥梁的健康监测已是目前国内外研究很 热的一个课题。西方一些国家在桥梁安全监测方面技术已经比较成熟，并已经广泛实 践于各类桥梁和高层建筑当中。近些年国内一些高校也对这方面的技术进行了较为深 入的研究。由于国家对这一领域的重视和扶持，研究工作也取得了很大的进步，许多 科研机构已经将桥梁监测技术投入到实际的桥梁建设当中。 1 2 桥梁安全监测的发展历程及国内外研究现状 第二次世界大战以前，就有人考虑到桥梁的修复和检测，但是没有形成好的标准 和系统的规程。由于不断发生桥梁失效和倒塌事故，2 0 世纪5 0 年代开始，美国和其 他一些国家相继建立了桥梁检测的一些标准，于是产生了第一代的桥梁安全检测。 1 基于小波分析的侨梁发令：情钡4 系统研究j 开发 1 9 6 7 年1 2 月，俄亥俄河上的一座主要桥梁倒塌，导致4 6 人丧生，这使得桥梁安全检 测产生了重大发展，1 9 7 1 年，美国制定了国家桥梁检测标准( n b i s ) ，提供检测方法 的细节、检测时间间隔和检测人员资格的统一的指引3 1 。根据n b i s ，当桥刚建成或 桥的结构形态改变的时候，要进行验收检测，每两年要进行一次确定桥梁物理和功能 状态的例行检测，以及在其他特殊情况下进行损伤检测、深入检测和临时检测等。瑞 士官方规定，所有的主要桥梁在通车之前必须进行桥梁试验【3 l 。 目前世界各国在桥梁的健康监测方面都有了很大的发展。许多国家在一些已落成 的或正在修建的桥梁上进行这一领域的探索工作。芬兰在1 9 8 6 年1 1 月开始发展它的桥 梁管理系统，目的是为了提供一个可靠的支持工具，用于对现存桥梁的维护、维修和 替换进行决策。加拿大的q u e b e c z 实施了一个公路桥梁的动力测试计划，旨在建立一 个可靠的数据库并为制定动力测试的标准过程提供依据。1 9 9 3 年，光纤传感器被预装 到加拿大一座碳纤维预应力混凝土公路桥上，在桥开通后连续监测了8 个月，测量了 混凝土内部的整体分布应变。1 9 9 3 年夏末，美国新墨西哥州大学和其他两个实验室 对一座即将废弃的公路桥进行了一系列实桥试验，以便为桥梁健康监测算法的研究提 供_ 个数据库。美国的一个三跨连续钢梁桥上安装了一个简单的仅仅测量应变的监测 系统，目的是为了了解重卡车通过时桥的倾斜和应力【引。另外如丹麦的f a r o e 大桥、墨 西哥i 拘t a m p i c o 大桥、挪威的s k a m s u n d e t 大桥都做了许多有关桥梁的检测尝试，收集 了结构和构件的位移、应变、加速度等物理参数以及环境因素对结构的影响。 在美国有学者具体针对斜拉桥的健康监测问题提出了一种新的整体损伤检测的 方法即预先转换法( p r e c u r s o rt r a n s f o r m a t i o nm e t h o d ) 。这种方法针对斜拉桥的损伤情 况以及相关的因素进行分析而得到桥梁的健康状况。一些桥梁的损伤检测已经采用了 这种方法，随着桥梁健康监测的发展，工程中对监测设备尤其是传感器的要求也日渐 增高。在过去的十几年里，欧洲许多国家都丌始对光纤传感器的性能和效果做分析和 研究。各种不同的光纤传感技术大量的出现并且其中的一些已经成为了商业产品。在 瑞士和意大利的两座桥梁上，光纤传感技术已经得到了应用。1 9 9 5 年以后，美国、英 国、德国、加拿大、韩国等国家把光纤应变传感技术应用到了高层建筑、大坝和桥梁 等结构的安全监测，实现了在线、实时自动监测，并实现了远程监测与安全预警，取 得了良好的效果【4 ，5 】。 国内近几年也开始针对大跨径桥梁的健康监测开展研究工作【6 , 7 , 8 】。如香港的青马 大桥、广州虎门大桥【9 1 、上海徐浦大桥、洞庭湖大桥【1 0 】、东海大桥【1 1 1 、江阴长江大桥 2 济阿人学帧 。学位论文 以及南京长江二桥都在施工期i 日j 安设了相关监测设备，以便在营运期间对结构进行实 时监测。铜陵长江大桥、蚌埠淮河公路桥也在建桥之后进行了营运期的跟踪检测，随 时了解桥梁结构的变化。 目前国内对于桥梁的健康监测的研究已经从人工监测向在线监测和实时监测进 行过渡。如重庆大学相关课题组根据桥梁的特点，对桥梁远程自动状态监测系统进行 了研究，并开发了相应的监测系统。该系统已成功应用于渝长高速公路红槽坊立交桥 i t 2 。系统安装于该桥的第一个桥墩出路，总共连接了应变、挠度、振动三种类型共1 8 只传感器，传感器之间的距离最远达4 0 m 。这个系统很好地反映了桥梁在运营状态时 的健康状况【1 3 】。目前光纤光栅传感器也是国内研究的热点，利用预先埋入的光纤布拉 格光栅传感器，实现了混凝土结构损伤过程中内部应变的测量，确定结构内部损伤的 形成和扩展，是实现桥梁结构智能监测的一种新技术。 在具体的桥梁检测手段方面，有人结合2 7 0 m 跨径的虎门大桥和1 9 0 m 跨径的镇海 湾大桥( 连续刚构桥) ，提出了一些主梁变形监测方法和措施【1 4 】。其主要手段是精密水 准测量结合挠度观测点的埋设。关于大型桥梁关键部位的监测方法，也有许多人做了 研究工作【1 5 】。如拉索的具体检测手段，就有人工检测、局部磁漏检测【1 6 】、索力检测、 模态检测、光纤检测、电阻应变片动应力检测等方法。 1 3 桥梁监测的基本方法及存在的问题 桥梁安全监测实际上是一个多参数的监测，包括温度、应力、位移等参数的监测 2 0 , 2 1 , 2 2 】，由于应力是反映结构受力与破坏状况的关键指标，而应力与应变又存在着对 应关系，因此对桥梁结构进行应变测量是安全监测的主要方法之一。目前国外的工程 安全监测得到了广泛的应用。而国内这方面的研究起步比较晚，国内近年来受国家自 然基金会重大和面上项目的支持，在智能工程安全监测方面也开展了一些创造性研 究，也有较好的研究积累【2 3 1 ，但是，与国外相比，还有较大差距。无论在国内还是在 国外，目前的安全监测大多数都是集中在数据信息的简单的传感、采集、收集，而没 有对这些数据进行有效地分析。由于桥梁结构安全监测的根本目的就是根据传感器信 号分析出能够体现结构状态的信息量，通过对该信息的处理，能够对目前的结构安全 状态做出准确的判断、合理的预测以及正确的方案决策。目前在这方面的研究逐渐展 开，但是还没有取得重大突破。主要原因在于： 1 、由于桥梁建筑结构的形状、材料和所处的位置不同，并且由于桥梁工程结构 3 璀j 小波分析的侨粱安伞舱测系统研究j 开发 是一个强分散性和非线性系统，因此在理论分析上存在着很大的难题，在这种情况下， 如何对智能工程结构进行准确的建模是一个十分关键和棘手的研究难题【2 4 1 。 2 、桥梁工程结构的安全检测是一个全局性和局部性相互交错的传感和信息处理 系统，整个系统的数据量是巨大的，而且数据量在不同的情况下是不稳定的，并且由 于传感系统安装在工程体上，各种干扰异常大，因此在海量信息中有用信息的提取时 遇到了很大的困难。有用信息如何体现整个桥梁工程的安全特性，以及如何判断智能 工程系统的安全级别，是关系到信息处理、决策和建筑力学等诸多领域的研究难题。 3 、传感器的研究和选择也是桥梁工程结构安全监测的重要研究课题之一。在传 感器的选择中，大部分都选择了智能材料【2 4 】( 如：压电陶瓷p z t 、p v d f ，形状记忆 合金、磁流变材料、电流变材料) 和光纤( 在国外，瑞士、德国的应用比较成熟，在 国内重庆大学智能结构研究中心取得了重大进展，已经在工程中得到了初步应用) 。 选择的传感器能否真实、全面的体现要测得结构参数，以及工程状态的变化和传感器 输出的关系，都是目前研究的重点之一。 由于桥梁工程安全监测是一个崭新的研究领域，并且属于一个复杂的交叉学科， 虽然国内外研究都取得了长足的进展，但是其中仍然存在着很多十分棘手、又亟待解 决的难题【1 2 】。 总的概括起来桥梁安全监测分为以下几个步骤，传感器的选择，传感器的优化， 对传感信号的处理以及在上位机上对信号的后期处理。关于桥梁健康监测的远程数据 采集系统设计以及监测系统的研究，现在也引起了众多科研工作者的关注【1 7 , 1 8 l 。桥梁 健康监测系统一般由数据采集系统和结构健康状态与安全评估系统这两个子系统组 成，而其中的数据采集子系统则是整个监测系统的基础。现场数据采集系统主要包括 传感系统和信号采集与处理系统，由传感器及二次仪表、高可靠性的工控机等部分所 组成【19 1 。 1 4 本文的主要研究内容 本文对压电片的传感原理作了较深入分析，研究了一些传感器优化布设的方法。 为准确获取信号，文中对前端采集电路作了深入分析和大量试验，并最终调试出了一 套适用的采集电路。作者在开发上位机软件系统过程中做了大量工作，系统完成了数 据采集卡驱动程序调试，数据存储与动态图像显示，数据实时的时频变换，桥梁安全 状态总体评估等功能。作者对f f l 算法原理做了较深入理解，并利用v c 编写了基2 的 4 济南人掌硕i j 学位论文 1 0 2 4 点f 兀程序，对小波变换的理论和应用作了较深入的研究，并利用m a t l a b 实现 了对信号做相应的处理。整套系统通过试验测试，能基本完成桥梁健康状况的实时监 测。本文在理论与实验结合的基础上迈出了实现桥梁安全实时监测的第一步，为后续 研究的深入和实践打下了基础。 本文的章节安排：第二章介绍了压电式传感器的原理与应用。第三章介绍了前端 采集电路的应用研究。第四章介绍了基于小波理论的信号处理方法。第五章介绍了桥 梁监测系统上位机软件的开发过程。第六章作全文总结。 5 基十小波分析的侨梁安伞! 临测系统研究j 歼发 第二章压电式传感器的研究与应用 压电式传感器是以某些电介质的压电效应为基础【2 5 】而制成的。在外力作用下，电 介质的表面能产生电荷，电荷量的大小与压力大小成对应关系，通过这个原理便能将 压力转换为电荷进行采集研究。 压电式传感器具有响应频带宽、灵敏度高、信噪比大、结构简单、工作可靠、重 量轻等优点。因此，在工程力学、生物医学、石油勘探、桥梁检测、声波测井、电声 学等许多技术领域中获得了广泛的应用。 2 1 压电式传感器的基本原理 压电式传感器都是以某些电介质( 如石英和压电陶瓷) 的压电效应为基础的，而 压电效应可以分为正压电效应和逆压电效应。正压电效应( 顺压电效应) ：某些电介 质，当沿着一定方向对其施力而使它变形时，内部就产生极化现象，同时在它的表面 上产生电荷，当外力去掉后，又重新恢复不带电状态的现象。当作用力方向改变时， 电荷极性也随着改变。从能量的角度考虑，在这一过程中机械能转化为电能。逆压电 效应( 电致伸缩效应) ：当在电介质的极化方向施加电场，这些电介质就在一定方向 上产生机械变形或机械压力，当外加电场撤去时，这些变形或应力也随之消失的现象。 从能量的角度考虑，电能转化为机械能。 晶体是否具有压电性，通常只取决于晶体结构的对称性。一般说来，有对称中心 的晶体不可能具有压电效应而无对称中心的晶体通常都具有压电性。其中只有4 3 2 点群的晶体属于例外，4 3 2 点群的晶体虽然没有对称中心，但是却不具有压电性。 具有压电效应的电介质称为压电材料，压电式传感器大都是利用压电材料的正压 电效应制成的，在电声和超声的领域中也有利用逆压电效应制成的传感器。在大自然 中，已经发现2 0 多种单晶体具有压电效应。石英就是一种性能良好的天然压电晶体， 此外，压电陶瓷如钛酸钡、锆钛酸铅等多晶体也具有良好的压电效应。由于压电转换 元件具有自生电荷和电生力这两种重要性能，加上它体积小、重量轻、结构简单、工 作可靠、固有频率高、灵敏度和信噪比高等优点。因此，近十来年，压电式传感器发 展十分迅速【2 6 , 2 7 】。 压电晶体的正压电效应可用下式来表示： 6 济南人掌坝i j 学位论) ： a = d f ( 2 1 ) 式中 q 表示压电晶体某个表面上的电荷量( 库仑c ) d 表示压电系数( 与压电材料特性有关) ( 库仑牛顿c n ) f 表示外加作用力( 牛顿) 由于压电晶体是各向异性( 各个方向产生的压电效应不尽相同) ，所以当受力方向 和受力方式不同时，压电系数也不同。为表示这个特征，一般用数字下脚标来表示受 力方向和产生压电效应的晶面，如d 打，j 表示受力的方向( j 一1 ，2 ，3 ，4 ，5 ，6 ) ，f 表示产 生压电效应出现电荷的晶面o 一1 ，2 ，3 ，4 ，5 ，6 ) 。 若在晶体产生电荷的表面用导电材料做成电极，则两极板上输出的电压为： 卟生c o 丢f ( 2 2 ) 式中c 0 为两电极极板间的电容量。 作为敏感功能材料对压电材料的要求是：具有大的压电系数d ；机械强度高、刚 度大，以便获得高的固有振荡频率；高电阻率和大介电系数；高的居里点；温度、湿 度和时间稳定性好。 石英晶体和压电陶瓷都具有压电效应，但两者产生的机理是不同的。石英晶体具 有压电效应，是由其内部结构决定的。压电陶瓷所以具有压电效应，是由于陶瓷内部 存在自发极化。 2 1 1 石英晶体的压电效应 石英晶体是一种性能良好的压电晶体，它的突出优点是性能非常稳定。它还具有 自振频率高、动态响应好、机械强度高、绝缘性能好、迟滞小、重复性好、线性范围 宽等优点。 石英晶体是一种各向异性的( 压电材料) 介质，在三维直角坐标系内的力电作 用状态如图所示： 7 基1 ：小波分忻的侨梁安伞临测系统研究了开发 ) y 图2 1x o 。切型石英晶体切片的力一电分布 f 1 一f 3 分别为沿z 、y 、z 轴的j 下应力( 或应力分量) ，f 4 一f 6 分别为绕z 、y 、 z 轴的切向应力， q 一吒分别是z 、y 、z 表面由于压电效应而产生的电荷面密度。 其压电方程为： 0 q = dupi q 3 其中 f 一1 、2 、3 一z 、y 、z j = l 、2 、3 、4 、5 、6 一沿( x 、y 、z ) 、( 绕x 、y 、z ) pj ：方向上的应力分量( 以) ：方向的应力分量在f 面上产生电荷的面密度( c m 2 ) d 玎：_ 方向的应力分量在i 面上产生电荷时的压电常数( 叫) 压电方程的矩阵表示为p o 】： 压电常数矩阵为： 8 p 1 p 2 p 3 p4 p 5 p 6 6 6 6 1 2 3 d 口d 5 5 5 1 2 3 d d d 4 4 4 1 2 3 d d d b ” d d d 2 2 2 1 2 3 d d d 1 2 3 d d d i_。-。-。-f_。l = 1li-j 1 2 3 盯 盯 济南人学硕l j 学化论文 m 。噍叱比丸叱1 b 。i 如如九如九龙l l 厶如如如呔咄i 阮屯0 叱0 0 1 = l0 00 0 也吼l l0 00 000l 2 1 2 压电陶瓷的压电效应 “如0 丸0 0 00 0 0 九丸 0o o o0 0 右旋石英晶体取负号； 左旋石英晶体取正号。 压电陶瓷属于铁电体一类的物质，是人工制造的多晶压电材料，它具有类似铁磁 材料磁畴结构的电畴结构。电畴是分子自发形成的区域，它有一定的极化方向，从而 存在一定的电场。在无外电场作用时，各个电畴在晶体上杂乱分布，它们的极化效应 被相互抵消，因此原始的压电陶瓷内极化强度为零。 但是，当把电压表接到陶瓷片的两个电极上进行测量时，却无法测出陶瓷片内部 存在的极化强度。这是因为陶瓷片内的极化强度总是以电偶极矩的形式表现出来，即 在陶瓷的一端出现j 下束缚电荷，另一端出现负束缚电荷。由于束缚电荷的作用，在陶 瓷片的电极面上吸附了一层来自外界的自由电荷。这些自由电荷与陶瓷片内的束缚电 荷符号相反而数量相等，它起着屏蔽和抵消陶瓷片内极化强度对外界的作用。所以电 压表不能测出陶瓷片内的极化程度。如下图2 2 所示： 荷 电极 图2 2 束缚电荷和自由电荷排列示意图 如果在陶瓷片上加一个与极化方向平行的压力f ，如图，陶瓷片将产生压缩形变 ( 图中虚线) ，片内的正、负束缚电荷之间的距离变小，极化强度也变小。因此，原 9 堆于小波分析的桥梁发伞骱_ ；! i 1 0 系统研t j 开发 来吸附在电极上的自由电荷，有一部分被释放，而出现放电荷现象。当压力撤消后， 陶瓷片恢复原状( 这是一个膨胀过程) ，片内的正、负电荷之间的距离变大，极化强度 也变大，因此电极上又吸附一部分自由电荷而出现充电现象。这种由机械效应转变为 电效应，或者由机械能转变为电能的现象，就是正压电效应。 如下图2 3 。 + 冬 图2 3 正压电效应示意图 同样，若在陶瓷片上加一个与极化方向相同的电场，由于电场的方向与极化强度 的方向相同，所以电场的作用使极化强度增大。这时，陶瓷片内的j 下负束缚电荷之间 距离也增大，就是说，陶瓷片沿极化方向产生伸长形变( 图中虚线) 。同理，如果外 加电场的方向与极化方向相反，则陶瓷片沿极化方向产生缩短形变。这种由于电效应 而转变为机械效应或者由电能转变为机械能的现象，就是逆压电效应。如下图2 4 。 图2 4 逆压电效席不慈图 ( 实线代表形变前的情况，虚线代表形变后的情况) 由此可见，压电陶瓷所以具有压电效应，是由于陶瓷内部存在自发极化。这些自 发极化经过极化工序处理而被迫取向排列后，陶瓷内即存在剩余极化强度。如果外界 的作用( 如压力或电场的作用) 能使此极化强度发生变化，陶瓷就出现压电效应。此 外，还可以看出，陶瓷内的极化电荷是束缚电荷，而不是自由电荷，这些束缚电荷不 能自由移动。压电陶瓷的压电效应是压电陶瓷材料受到应力作用时所产生的电极化现 象，它是一种可逆效应。因此，当在压电材料的两侧之间加电压或受力时，材料便产 1 n j ；：f 雨人掌坝t ：学位论义 生应变从而出现压电效应；当电压或受力解除时，压电陶瓷就会恢复原始状态，极化 强度为零。所以在陶瓷中产生的放电或充电现象，是通过陶瓷内部极化强度的变化， 引起电极面上自由电荷的释放或补充的结果。 钛酸钡压电陶瓷的压电方程为( 沿z 轴极化) ： 钛酸钡压电陶瓷的压电常数矩阵为： 瞄卜 4 ，噍 易彩 磊磊 丸比 如如 如如 00o 0oo 吃，喀。如 丸丸 九九 丸丸 0 妃0 如00 0o0 o00 0oo 吃。如如 p l p 2 p 3 p 4 p 5 p 6 o 叱0 1 如oo l 000 l j 其中 d 3 3 1 9 0 x 1 0 1 2 c n d 3 l d 3 2 = - 0 4 1 d 3 3 = - 7 8 x 1 0 1 2 c n d 1 5 = d 2 4 = 2 5 0 x 1 0 。1 2 c 压电陶瓷具有很高的热稳定性和物理稳定性，而且能制成多种不同的形状，并针 对多关注的特性( 介电常数、压电系数、居里温度等) 给出了非常宽广的数值范围。 其主要缺点是参数的温度灵敏度以及在接近居里温度时容易老化( 失去压电特性) 。 常用的压电陶瓷是锆钛酸铅( p z t ) ( 简称压电片) 。本项目中选用的压电片型号是 p 5 1 ，p 表示材料的主成分为p b t i 0 3 一p b z r 0 3 ，5 表示材料的主要性能特征为高灵敏 度，1 表示材料序号为1 。具体参数如表1 所示： 0 0 o巧) d 吐0 oo 丸o o 0 以 0 0 如 0 0 如 = 1-llll_j 1 2 3 仃 盯 幕于小波分析的桥梁安伞 惰测系统研究j 开发 表2 1p 一5 l 参数表 机电耦合系数 介电 介质损耗压电常数 型号 常数 d 3 1d 3 1 9 3 19 3 3 k e k 3 lk 3 3k t 五 r 9 6 ( 1 0 d 2 m v )( 1 0 m m v )( 1 0 。3 v m v )( 1 0 。3 v m v ) p 5 1o 6 2o 3 5o 6 90 5 02 2 0 0 2 1 8 6 6 0 0 1 0 2 4 弹性柔顺常数 机械品质因 型号 数 声速( n v s ) 体积密度居里温度 s 二 p t c ( 1 0 1 2 m 2 v ) q m 圪k匕形 ( 1 0 a k g m 3 ) ( ) p - 5 11 6 78 03 0 0 02 9 0 03 8 0 04 5 0 07 62 6 0 2 1 3 压电式传感器的等效电路 当压电传感器中的压电晶体承受被测机械应力的作用时，在它的两个极面上出现 极性相反但电量相等的电荷。可把压电传感器看成一个静电发生器，如图图2 5 ) 。 也可把它视为两极板上聚集异性电荷，中间为绝缘体的电容器，如图图2 5 ( b ) 。其电 容量为 c 。了r _ s 学 ( 2 4 ) f 皂极 口 压电晶 q ( a )( b ) 图2 5 压电传感器的等效电路 当两极板聚集异性电荷时，则两极板呈现一定的电压，其大小为： 玑2 百q ( 2 5 ) 压电元件是一种换能器件，属有源传感器，它在系统中有两种等效形式。压电传 感器可等效为电压源u 。与其等效电容c o 的串联电路，如图2 6 ( a ) ；也可等效为一个 济南人学硕1 j 学位论义 电荷源q 与其等效电容c 口的并联电路，如图2 6 ( b ) 。 q ( a ) 电压等效电路( b ) 电荷等效电路 图2 6 等效电路 传感器内部信号电荷无“漏损 ，外电路负载无穷大时，压电传感器受力后产生 的电压或电荷才能长期保存，否则电路将以某时间常数按指数规律放电。这对于静态 标定以及低频准静态测量极为不利，必然带来误差。事实上，传感器内部不可能没有 泄漏，外电路负载也不可能无穷大，只有外力以较高频率不断地作用，传感器的电荷 才能得以补充，因此，压电晶体不适合于静态测量。 如果用导线将压电传感器和测量仪器连接时，则应考虑连线的等效电容，前置放 大器的输入电阻、输入电容。压电传感器的完整等效电路见图2 7 ： 图2 7 压电传感器的完整等效电路 在图2 7 0 e ，c o 为传感器的固有电容；e 为前置放大器输入电容；c c 为连线电容； r 为传感器的漏电阻；足为前置放大器输入电阻。 可见，压电传感器的绝缘电阻r 与前置放大器的输入电阻足相并联。为保证传 感器和测试系统有一定的低频或准静态响应，要求压电传感器绝缘电阻应保待在 1 0 1 3 f 2 以上，才能使内部电荷泄漏减少到满足一般测试精度的要求。与上相适应，测 试系统则应有较大的时间常数，亦即前置放大器要有相当高的输入阻抗，否则传感器 的信号电荷将通过输入电路泄漏，即产生测量误差。 从以上分析我们可以得出结论，前置电路必须满足一定的要求：1 、高内阻，须 作阻抗变换。2 、输出功率小，分布参数及干扰影响大。一般用电压、电荷放大器作 1 3 艰十小波分忻的侨梁安令豁测系统f i j f 究j 开发 为前置变换电路：从电压源u 等效的观点看可以使用电压放大器；从电荷源口等效的 观点看可以使用电荷放大器。压电式传感器的前置放大器有两个作用t1 、把压电式 传感器的高输出阻变换成低阻抗输出；2 、放大压电式传感器输出的弱信号。前置放 大器的好坏直接关系到所采集信号的有效与否，在整个系统中的地位是非常重要的。 2 1 4 压电式传感器的测量电路 压电元件由压电效应产生的电信号是比较弱的，不能直接读取，而且从压电元件 本身来看，内阻抗较高，后接负载要经变化才能得到输出的需要信号。压电式传感器 输出可以是电压信号也可以是电荷信号。因此，设计前置放大器也有两种形式：一种 是高阻的电压放大器，在一定条件下其输出电压与压电传感器的输出电压成正比；另 一种是电荷放大器在一定条件下其输出电压与传感器的输出电荷成正比。 实际上以压电片为敏感元件的压电传器要通过电缆线将压电片产生的电信号送 到放大器放大后才能供测量或控制。所以，压电元件在与后续测量仪器或测量电路配 套使用时，还应考虑接线电缆和仪表的输入端影响。 ( a ) 电荷等效电路 ( b )电压等效电路 图2 8 测量电路的等效电路 对于接线电缆可以等效为一个电缆电容c c 和一个泄漏电阻r 。测量仪表或电路 ( 一般为前置放大器) 的影响，可以等效为输入电容g 和输a 电m r , ，它们均与压电元 件并联。故可以得到两个等效电路，如图2 8 所示。其中图( a ) 为电荷源等效电路，图 ( b ) 为电压源等效电路。将图2 8 ( a ) 简化为2 9 ( a ) 形式其中c = c o + c c + c i ； 咫= g oi iri lr ；再将2 8 ( b ) 图简化为2 9 ( b ) 形式的电压源。可见这是一个只r c 电路， 由电荷q 产生的电压u 将以时问常数匙c z 不断衰减。这样加于压电体上和被测力成 正比的电荷量q 将随时间逐渐减小，显然会给测量造成误差。但是只要外力以足够高 的频率不断作用，才能使电荷不断得以补充，从而使误差达到足够小，这就决定了压 1 4 济南人学硕l j 学化论义 电传感器的一个重要特点，即很难测量很低频率的作用力。因此，不能像一般测力传 感器那样用静态力来标定，要降低可测量作用力的频率，必需提高时间常数呸c = 。 u = q ( a ) 电荷等效电路( b ) 电压等效电路 图2 9 简化后的测量电路等效电路 1 、提高q ：即加大e + c c + c ：f 。 i 因u c q - ，又q 和作用力成正比，例如石英的纵向压电效应q 一码，所以 【，= 恚f 。u 对作用力的灵敏度kz 等；百d l l ，因此，提高c = 会降低灵敏度k ，对 测量不利。但可以采用，l 片并联，此时q = 刀c 口+ e + c f ，而电荷变成，l q 。 k 一石瓦n d n i 2 6 ) 此时，提高了c ，但又不会降低灵敏度。 2 、提高匙即提高咒和r 提高吃提高压电体绝缘电阻